DE102008020931A1

DE102008020931A1 - Verfahren zur Ansteuerung eines Piezoaktors in einem Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: DE102008020931A1
Application number: DE102008020931A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Hopp
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2009-11-19
Also published as: US20110068189A1; CN102016272A; WO2009130096A1; KR20110016901A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ansteuerverfahren, bei dem zwischen einer Aktorbodenplatte (7) und einem Betätigungselement (3) ein vorbestimmter Leerhub (h0) eingestellt ist, der von einer vorbestimmten Ausgangslage der Aktorbodenplatte (7) vor der Ansteuerung abhängig ist. Um die schwankungsbehaftete Ausgangslage zu stabilisieren und damit die Einspritzgenauigkeit zu verbessern, wird vorgeschlagen, den Piezoaktor (1) unmittelbar vor einer Einspritzung so anzusteuern, dass eine definierte Vorauslenkung erfolgt, so dass die Aktorbodenplatte (7) vor der anschließenden Einspritzung eine weniger schwankungsbehaftete neue Ausgangslage einnimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Piezoaktors in einem Kraftstoffinjektor, bei dem der elektrisch ansteuerbare Piezoaktor eine Längsbewegung (Hub) auf ein Betätigungselement überträgt, wobei zwischen einer Aktorbodenplatte und dem Betätigungselement ein vorbestimmter Leerhub eingestellt ist, der von einer vorbestimmten Ausgangslage der Aktorbodenplatte vor der Ansteuerung abhängig ist.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 199 05 340 C2 bekannt.
Bei der Kraftstoffversorgung von Brennkraftmaschinen werden Speichereinspritzsysteme eingesetzt, bei denen mit hohen Einspritzdrücken und schnellen Schaltgeschwindigkeiten gearbeitet wird. Bei diesen Systemen wird Kraftstoff mittels einer Hochdruckpumpe in einen Hochdruckspeicher gefördert, von dem aus der Kraftstoff mithilfe von Kraftstoffinjektoren in den jeweiligen Zylinder eingespritzt wird. Der Kraftstoffinjektor weist ein Einspritzventil auf, das von einem Servoventil geöffnet und geschlossen wird, um den zeitlichen Verlauf des Einspritzvorgangs in die Brennkammer festzulegen. Das Servoventil wird dabei von einem elektrisch angesteuerten Piezoaktor betätigt, bei dem durch Anlegen von elektrischer Spannung eine Längsdehnung hervorgerufen wird. Diese wird auf das Servoventil übertragen, das wiederum das Einspritzventil steuert. Damit die im μm-Bereich liegende Längsdehnung des Piezoaktors das Servoventil geeignet betätigen kann, wird diese Längsdehnung z. B. mechanisch durch einen im Kraftstoff gelagerten Hebelübersetzer oder hydraulisch durch einen Druckraum verstärkt.
Um die für einen optimalen Verbrennungsverlauf erforderlichen schnellen Schaltgeschwindigkeiten und kleinen Einspritzmengen beim Kraftstoffinjektor erzielen zu können, ist es erforderlich, den Injektor sehr genau einzustellen. Dies gilt insbesondere für den sich zwischen dem Piezoaktor und dem Betätigungselement (Servoventil) ergebenden Leerhub im Injektor.
Grundsätzlich besteht zwar bei den meisten Anwendungen das Ziel darin, dass näherungsweise der gesamte Hub des Piezoaktors auch für die mechanische Bewegung des Stellelementes genutzt wird, da die Baugröße mit dem erforderlichen Hub anwächst. Daraus würde folgen, das Spiel (Leerhub) zwischen dem Piezoaktor und dem Betätigungselement möglichst zu verringern. Andererseits muss stets ein Mindestspiel zwischen Aktor und Betätigungselement in Form eines Leerhubs vorgehalten werden, um Fehlfunktionen im Betrieb zu vermeiden und die Betriebssicherheit des Injektors zu gewährleisten. Daher geht man heute in der Praxis im allgemeinen so vor, dass der Leerhub bei der Montage von Aktor und Betätigungselement so eingestellt wird, dass das geforderte Mindestspiel auch unter den ungünstigsten Bedingungen vorhanden ist und bekannte Alterungseffekte (Einlaufen, Setzen und Ähnliches) so weit wie möglich berücksichtigt sind.
Ausgehend von einem derartigen Verfahren zur Leerhubeinstellung zwischen einem Piezoaktor und einem Übertragungselement eines Ventils, das typischerweise einmalig bei der Montage durchgeführt wird, ist aus der oben genannten Patentschrift auch ein Verfahren zum Einstellen und Nachführen eines vorgegebenen Leerhubs während des Betriebs des Piezoaktors bekannt. Dabei wird wenigstens einem Teil der Piezoelemente des Piezoaktors eine Gleichspannung zugeführt, die eine von der Ansteuerspannung unabhängige Längenänderung des Piezoaktors bewirkt, durch die ein durch Alterungs- und Temperatureffekte veränderter Leerhub ausgeglichen werden soll.
Die Anmelderin hat allerdings festgestellt, dass neben derartigen Exemplarstreuungen, die gegenüber dem dynamischen Be trieb des Piezoaktors sehr langsam verlaufende Leerhubänderungen bewirken, auch schnelle Leerhubänderungen auftreten, die offenbar von der unmittelbaren dynamischen Vorgeschichte, also der vorangegangenen Einspritzung, abhängig sind. Zu Grunde liegt dabei die Tatsache, dass der Leerhub von der Position der Aktorbodenplatte vor der Einspritzung mitbestimmt wird, die somit die Einspritzcharakteristik der Injektoren mitbestimmt. Die stabile Ausgangslage der Aktorbodenplatte ist demnach Voraussetzung für eine reproduzierbare stabile Kleinstmengeneinspritzung. Besonders bei Mehrfacheinspritzungen stellen sich jedoch unterschiedliche Bodenplattenpositionen als Ausgangslage ein, die wiederum zu instabilen Kleinstmengen führen. Ursache sind unter anderem Kriechen und Domänenklappungen des Piezoaktors, Eigenspannungen von der Membran, Membranraumdruckschwingungen sowie Reibkräfte.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die schwankungsbehaftete Ausgangslage, die die Aktorbodenplatte vor der Einspritzung einnimmt, stabilisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den folgenden Unteransprüchen angeführt.
Die obige Aufgabe wird demnach erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Piezoaktor, dessen Aktorbodenplatte sich in der schwankungsbehafteten vorbestimmten Ausgangslage befindet, unmittelbar vor einer Einspritzung so angesteuert wird, dass eine definierte Vorauslenkung des Piezoaktors erfolgt, so dass die Aktorbodenplatte vor der anschließenden Einspritzung eine weniger schwankungsbehaftete neue Ausgangslage einimmt.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Aktorbodenplatte aufgrund der bei einem Einspritzevent wirkenden hochdynamischen Kräfte nicht sauber in die vorbestimmte Aus gangslage zurückgeführt wird und setzt die Aktorbodenplatte deshalb einer zusätzlichen großen Kraft aus, um durch elektrische Ansteuerung einen virtuellen Anschlag (neue Ausgangslage) für die Aktorbodenplatte mit definierten, stabilisierten Lageverhältnissen herzustellen. Das vorteilhaft allein auf der Modifizierung des Ansteuersignals beruhende erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, präzise kleine Mengen bei Mehrfacheinspritzungen zu realisieren und damit strenge gesetzliche Normen hinsichtlich der Abgaswerte zu erfüllen.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Piezoaktor zur Bewirkung der Vorauslenkung negativ bestromt wird, so dass die Aktorbodenplatte in eine definierte neue Ausgangslage zurückgezogen wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung diese Ausführungsform kann dies auf einfache Weise dadurch implementiert werden, dass der Piezoaktor zur Ansteuerung jeweils mit einem Bestromungsprofil beaufschlagt wird, das die definierte Vorauslenkung und die anschließende Einspritzung bewirkt, wobei der Bestromungsbeginn soweit nach vorn verlagert wird, dass trotz Vorauslenkung ein vorbestimmter hydraulischer Öffnungszeitpunkt eines Ventils des Injektors erreicht wird. Gemäß einer Weiterbildung kann dabei der Ladestromverlauf des Piezoaktors über die Parameter des Bestromungsprofils so beeinflusst werden, dass die gewünschten Positionen der Aktorbodenplatte zu den gewünschten Zeitpunkten eingenommen werden.
1 zeigt schematisch und geschnitten einen Aufbau für eine aus dem Stand der Technik bekannte Ventilsteuerung mit einem Piezoaktor,
2 zeigt ein Zeitdiagramm der Aktorbodenplattenposition eines gemäß dem Stand der Technik angesteuerten Piezoaktors,
3 zeigt, in gleicher Darstellung wie 2, die Aktorbodenplattenposition eines erfindungsgemäß angesteuerten Piezoaktors.
Die 1 der Zeichnung zeigt schematisch und beispielhaft den Aufbau einer Ventilsteuerung mit einem elektrischen Piezoaktor 1, der aus einem Stapel plattenförmiger piezoelektrischer Elemente besteht, die zum Ventil hin durch eine Aktorbodenplatte 7 abgeschlossen sind. Bei der gezeigten Ausführungsform erfolgt die mechanische Auslenkung beim Anlegen einer Spannung senkrecht zur Schichtebene der einzelnen Piezo-Elemente, das heißt in Längsrichtung (z-Richtung) des Piezoaktors 1.
Der Piezoaktor 1 hat in der Ruhelage, das heißt, ohne dass eine Ansteuerspannung anliegt, die Länge l₀, wobei die Aktorbodenplatte 7 ihre vorbestimmte Ausgangslage einnimmt. Der Abstand zwischen dem ungedehnten Piezoaktor 1 und einem mechanischen Stell- oder Betätigungselement (hier einem Ventilkolben 3) ist der Leerhub h₀. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die Anschlussklemmen 2 des Piezoaktors 1 dehnt sich dieser in z-Richtung und nimmt eine Länge l₁ an mit l₁ > l₀ + h₀.
In dem in der 1 gezeigten Zustand befindet sich, da keine elektrische Spannung angelegt ist, der Piezoaktor 1 in seiner Ruhelage, das Ventil ist geschlossen, und im Steuerraum 4 des Ventils herrscht ein Druck p₀. Wenn eine Ansteuerspannung angelegt wird, wird der Piezoaktor 1 ausgelenkt, der Ventilkolben 3 hebt eine Ventilkugel 5 gegen die Wirkung einer Rückstellfeder 6 von ihren Sitz ab, das Ventil ist dadurch geöffnet, und in dem Steuerraum stellt sich ein Druck p₁ ein.
2 zeigt ein Diagramm, in dem die Position der Aktorbodenplatte 7 eines gemäß dem Stand der Technik angesteuerten Piezoaktors 1 über die Zeit dargestellt ist. Mit Beginn der Bestromung zum Zeitpunkt t₀ beginnt sich der Piezoaktor 1 zu längen, so dass die Aktorbodenplatte 7 nach einer bestimmten, vom Leerhub abhängigen Zeitspanne auf das Betätigungselement 3 einwirkt. Zu einem Zeitpunkt t_Öffnung ist dann der hydrauli sche Öffnungszeitpunkt des Schaltventils des Injektors erreicht. Die vorbestimmte Ausgangslage (Nullage) der Aktorbodenplatte 7 vor der Bestromung ist jedoch aus den weiter oben dargestellten Gründen schwankungsbehaftet, das heißt, sie weist die in 2 angedeutete Streuung σ₁ auf, die sich in einer entsprechenden Streuung des Öffnungsbeginns des Ventils niederschlägt, da bei jeder Ansteuerung des Piezoaktors 1 ein zwar innerhalb der Schwankungsbreite σ₁ liegender, aber doch etwas unterschiedlicher Leerhub wirksam wird. Die vorbestimmte Ausgangslage kann im Übrigen in an sich bekannter Weise durch eine negative Bestromung des gelängten Piezoaktors 1, also durch eine Entladung, erreicht werden.
Erfindungsgemäß erfolgt eine Vorauslenkung des Piezoaktors 1 unmittelbar vor dem eigentlichen Einspritzevent. Diese Vorauslenkung führt die Aktorbodenplatte 7 in einen Bereich, der erhöhte Lagestabilität bezogen auf Reproduzierbarkeit besitzt. Die Vorauslenkung kann vorteilhaft als ein Zurückziehen des Piezoaktors 1 durch negative Bestromung realisiert sein und ist in 3 dargestellt. Um denselben hydraulischen Öffnungszeitpunkt des Schaltventils t_Öffnung wie bei konventioneller Ansteuerung zu erreichen, ist aufgrund des größeren, aber definierteren Aktorweges der Bestromungsbeginn nach vorn zu verlagern, vergleiche den wannenförmigen negativen Teil der in 3 dargestellten Kurve, der das Zurückziehen der Aktorbodenplatte 7 in eine neue Ausgangslage andeutet. Diese neue Ausgangslage ist durch eine Streuung σ₂ charakterisiert, die kleiner als die der vorbestimmten Ausgangslage zugeordnete Streuung σ₁ ist. Dies erklärt sich daraus, dass durch die Vorauslenkung der Anteil der Aktorkraft in der Kraftgleichung aus Rohrfeder, Membranspannung, Membranraumdruck, thermische Spannung und Reibung gegenüber den äußeren Einflüssen (Umgebungstemperatur, Druck) sowie gegenüber der Vorgeschichte, das heißt der vorangegangenen Einspritzung, steigt, die zu schwankungsbehafteten Aktorbodenplattenausgangslagen führen. Dies bedeutet, dass der Anteil definiert steuerbarer Kräfte gegenüber (stochastisch) fremd gesteuerter Kräfte zunimmt. Die Aktorbodenplattenaus gangslage wird stabiler und folglich wird die Streuung des tatsächlichen Ventilöffnungsbeginns geringer, wodurch, wie gewünscht, die Einspritzgenauigkeit zunimmt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19905340 C2 [0002]

Claims

Verfahren zur Ansteuerung eines Piezoaktors (1) in einem Kraftstoffinjektor, bei dem der elektrisch ansteuerbare Piezoaktor (1) eine Längsbewegung (Hub) auf ein Betätigungselement (3) überträgt, wobei zwischen einer Aktorbodenplatte (7) und dem Betätigungselement (3) ein vorbestimmter Leerhub (h₀) eingestellt ist, der von einer vorbestimmten Ausgangslage der Aktorbodenplatte (7) vor der Ansteuerung abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (1), dessen Aktorbodenplatte (7) sich in der schwankungsbehafteten vorbestimmten Ausgangslage befindet, unmittelbar vor einer Einspritzung so angesteuert wird, dass eine definierte Vorauslenkung des Piezoaktors (1) erfolgt, so dass die Aktorbodenplatte (7) vor der anschließenden Einspritzung eine weniger schwankungsbehaftete neue Ausgangslage einnimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (1) zur Bewirkung der Vorauslenkung negativ bestromt wird, so dass die Aktorbodenplatte (7) in eine definierte neue Ausgangslage zurückgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (1) zur Ansteuerung jeweils mit einem Bestromungsprofil beaufschlagt wird, das die definierte Vorauslenkung und die anschließende Einspritzung bewirkt, wobei der Bestromungsbeginn soweit nach vorn verlagert wird, dass trotz Vorauslenkung ein vorbestimmter hydraulischer Öffnungszeitpunkt eines Ventils (4, 5, 6) des Injektors erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Ladestromverlauf des Piezoaktors (1) über die Parameter des Bestromungsprofils so beeinflusst wird, dass die gewünschten Positionen der Aktorbodenplatte (7) zu den gewünschten Zeitpunkten eingenommen werden.